富含有益矿质元素小麦种质资源的筛选及育种利用

王 维，郭 红，于 慧，吴崇宁，李小康，陈广凤，田纪春，邓志英✉

（1.山东农业大学 农学院,作物生物学国家重点实验室，小麦品质育种研究室，山东 泰安 271018；2.德州学院 生态与资源环境学院，山东 德州 253000）

人体矿质元素与其生存的天然环境息息相关，包括常量元素、微量元素和有害元素。目前公认的人体必需的微量元素有13种：铁（Fe）、锌（Zn）、铜（Cu）、钼（Mo）、碘（I）、钴(Co)、锰（Mn）、钒（V）、硅（Si）、硒（Se）、氟（F）、镍(Ni)、锡（Sn）[1]。中国营养学会认为，人体每日摄取钙元素总量应不超过2 000 mg；在正常人的膳食中，Mn的需求量为每天4～9 mg；推荐成人Fe摄入量为17.5 mg人/天，可耐受最高摄入量为50 mg人/天；成年人每天需要Cu 0.05～2 mg；成人Zn摄入量为男性 15 mg人/天，女性11.5 mg人/天，对锌的可耐受最高摄入量为男性45 mg人/天，女性37 mg人/天；成人推荐Se摄入量为50 μg人/天，可耐受最高摄入硒量男女均为400 μg人/天。砷（As）元素广泛存在于自然界，几乎在人类所有食品中都有，我国规定原粮中砷含量应低于 0.7 mg/kg[2]。

现代营养医学研究表明，矿质元素在人体中有相当重要的生理作用，但是矿质元素是人体自身无法合成的，必须要从日常食物当中获取[3]。随着人们生活方式的变化，一部分居民营养失衡，也表现为摄入过量的常量元素、过少的微量元素及有益的非营养元素，这是对人们身体健康造成危害的重要原因。

小麦在我国北方民众生活中是最重要的食物以及矿质来源，为人们提供了生命活动所需要的蛋白质及矿质元素等物质，其营养品质跟人类健康有着密切的关系。小麦籽粒中有益矿质元素的含量低并且生物有效性差，这是中国乃至全球各国尤其是发展中国家广泛存在的问题[4]。

小麦籽粒中矿质元素含量会受到多种因素的影响，例如遗传因素和非遗传因素，包含小麦品种、种植区域的环境情况、施肥的种类以及数量、种植地气候条件等[5-7]。

从品种方面来讲，蓝粒小麦和紫粒小麦中的Mn、Fe、Cu、Zn的含量都显著高于普通小麦[8]。黑粒小麦中的钙（Ca）、Fe、Zn、Se等元素含量以及蛋白质含量一般都要高于红粒或白粒小麦[9]。前人研究发现，小麦中存在可以控制其矿质元素含量的基因。从野生小麦中克隆而来的 Gpc-B1基因就是一种能提高小麦籽粒中蛋白质、锌和铁含量的基因[10]。

虽然小麦籽粒矿质元素的含量是由环境和基因共同决定的，但是遗传效应对其的影响仍旧很强[11]。对一种矿质元素而言，在不同基因型小麦籽粒中的含量差异也会比较大。张勇等从240份小麦中筛选出了含Fe元素较高的品种（系）8份，筛选出含Zn比较高的品种（系）5份[12]。石荣丽等对中国小麦微核心种质库籽粒矿质元素含量进行了分析，发现在我国小麦籽粒中，八种矿质元素含量都存在明显的基因型差异，小麦籽粒中的Mn、Fe、Cu、Zn四种元素含量之间也存在着显著的正相关关系[13]。

尽管前人对小麦种质资源进行了筛选，但多数考虑的是有益微量矿质元素，同时考虑有益矿质元素和低重金属元素的筛选，鲜见报道。因此，本研究利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）对205份小麦种质资源3年2个地点进行了有益矿质元素和重金属含量的测定，以期筛选出高有益矿质元素低重金属含量的优异种质资源，为富含有益矿质元素小麦新品种的培育奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验涉及的元素的标准溶液（1 000 μg/mL）：国家标准物质研究中心。

205份具有代表性的小麦种质：分别在2013—2014年（E1）于山东省德州市、2014—2015年（E2）、2015—2016年（E3）、2016—2017年（E4）于山东省泰安市等两个不同地点种植。四个环境下均为随机区组设计，2次重复，3行区种植，均匀播种40粒，行长1.3 m，行间距0.25 m。将收获的籽粒储藏于4 ℃冷库中备用。

不同地点的土壤条件见表 1。两地土壤中矿质元素含量差异不大，由此可知，两地的土壤条件趋于一致，其对小麦籽粒中矿质元素的影响也趋于一致。

表1 不同种植环境的土壤条件Table 1 Soil conditions in different planting environments mg/kg

1.2 主要仪器

微波消解仪，Multiwave PRO：奥地利Antonpaar公司；3100锤式实验粉碎磨：瑞典Perten仪器有限公司；电感耦合等离子体质谱仪，ICAP Q ICP-MS：美国Thermo Fisher ScientificInc。

1.3 试验方法

1.3.1 各元素混合标准溶液的配制

1.3.1.1 钙锰铁铜锌混合标准溶液 标准溶液由Ca、Mn、Fe、Cu、Zn五种单元素国家标准母液（国家标准物质研究中心）1 000 μg/mL逐级稀释取得，溶液介质为 10%HNO3溶液。根据样品中Ca、Mn、Fe、Cu、Zn的含量，制备5个浓度梯度的标准工作溶液供检测时使用（表2）。

表2 Ca、Mn、Fe、Cu、Zn混合标准溶液的配制Table 2 The preparation of standard solution containting Calcium,Manganese,Iron,Copper and Zinc μg/mL

1.3.1.2 砷硒镉铅混合标准溶液 浓度为 1 000 μg/mL的 As、Se、Cd、Pb四种元素的单元素标准溶液（国家标准物质研究中心），使用时用先稀释到1 000倍，再分别稀释到5个浓度（表3），溶液介质为10%HNO3溶液。

表3 As、Se、Cd、Pb混合标准溶液的配制Table 3 The preparation of standard solution containting Arsenic Selenium Cadmium and Lead μg/mL

1.3.1.3 内标溶液 将浓度为1 000 μg/mL的Ge、Rh（国家标准物质研究中心）标准溶液用 HNO3溶液分别稀释为 0.50 μg /mL、0.50 μg /mL，作为内标溶液备用。

1.3.1.4 空白标准溶液 在 100 mL容量瓶中加入10 mL硝酸（HNO3），然后用超纯水（电阻率为18.2 MΩ·cm）定容到100 mL，即为空白标准溶液，过滤并备用。

1.3.2 全麦粉制备

参考姬翔等方法[14]。

1.3.3 样品的微波消解

参照韩张雄等方法[15]。

1.3.4 样品中矿质元素的检测

参照马艳等方法[16]。

1.4 数据分析

利用DPS DPS v7.05和SPSS Statistics 22软件对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 各元素标准曲线

各元素的标准曲线见图 1～9，各矿质元素的标准曲线相关线性值r值在0.997 7～0.999 9之间，说明各元素在一定质量浓度范围内与信号强度呈良好的线性关系。对全麦粉样品进行加标回收实验，各元素的回收率均在80 %～120 %之间，表明该方法重复性较好，能够应用于小麦籽粒中矿质元素的含量分析。

图1 钙元素标准曲线Fig.1 Standard curve of calcium

图2 锰元素标准曲线Fig.2 Standard curves of manganese

图3 铁元素标准曲线Fig.3 Standard curve of iron

图4 铜元素标准曲线Fig.4 Standard curve of copper

图5 锌元素标准曲线Fig.5 Standard curve of zinc

图6 硒元素标准曲线Fig.6 Standard curve of selenium

图7 砷元素标准曲线Fig.7 Standard curve of arsenic

图8 镉元素标准曲线Fig.8 Standard curve of cadmium

图9 铅元素标准曲线Fig.9 Standard curve of lead

2.2 样品中矿质元素含量的表型分析

各品种同一矿质元素含量的极值在不同环境下差异较大，但是大致趋势相同（见表4），不同矿质元素在不同的小麦品种中含量差异十分显著。各元素的含量均呈连续分布，为典型的数量性状，在遗传上是受多基因控制，可对其进行性状/标记之间的关联分析。

重金属元素含量相对较低（见表5），从平均值来看镉元素含量最高，铅元素含量在 0～0.692 6 μg/mL之间，说明不同小麦种质资源遗传多样性差异较大。在205份材料中，硒元素的偏度和峰度、锰元素的偏度参数绝对值均在1左右，说明这些矿质元素含量在试验材料中呈正态分布。而其他元素含量的偏度、峰度值和锰元素含量的峰度值均大于1，表明各元素含量分布倾向于高含量。

2.3 不同环境下各元素含量的差异分析

由表4可知，钙元素含量在2014年德州含量最高，与其他三个环境相比达极显著差异；在泰安点，除2016年，其他两个年份没有显著性差异。锰元素含量在2017年泰安点最高，与其他两个年份相比达极显著差异，但与德州点相比未达显著性差异。铁元素含量在2016年泰安点最高，与其他两个年份和2014年德州相比，达显著性差异。铜元素含量在2014年德州点最高，与泰安点3个年份相比，达极显著性差异，且泰安点3个年份之间也达极显著差异。锌元素含量在2014年德州点最高，与2017年泰安点相比，达显著性差异，与其他两个年份相比，达极显著差异；泰安点，2017年锌含量与其他两个年份相比，也都达极显著性差异。硒元素含量以2014年德州点最高，和其他环境相比达极显著差异。

表4 小麦籽粒中各有益矿质元素含量的表型分析Table 4 Phenotypic analysis of the content of beneficial mineral elements in wheat grain

由表5可知，重金属砷以2017年泰安点最高，与其环境达极显著差异，其次是2015年泰安点；重金属镉以2014年德州点最高，与其他环境达极显著差异，泰安点2015和2016年之间达极显著差异。由于绝大多数材料中未检测出铅含量，只有个别材料中检出，因此，未做详细分析。

表5 小麦籽粒中各有害矿质元素含量的表型分析Table 5 Phenotypic analysis of the content of harmful mineral elements in wheat grain

2.4 环境对小麦籽粒中矿质元素含量的影响

由表6可知，德州点籽粒中钙元素含量比泰安点高314.392 2 μg/mL，籽粒中锰元素含量比泰安点高1.351 5 μg/mL，籽粒中锌元素含量比泰安点高13.496 6 μg/mL，德州点的小麦籽粒中钙、锰、铜、锌、硒五种矿质元素均高于泰安点，差异也十分显著，由此可知，德州试验点的环境更有利于上述五种元素的积累。可能由于德州环境污染，致使重金属含量总高于泰安点，可知泰安点环境条件优于德州点。

表6 不同地点小麦籽粒中矿质元素含量Table 6 The content of mineral elements of wheat grain in different locations

2.5 优异种质材料的筛选

籽粒中有益元素含量较高的材料共38个（表7和表 8）。其中，Ca含量最高的材料为 B111，平均值为2 903.441 3 μg/mL；Mn含量最高的小麦品种为B21，均值为163.160 7 μg/mL；含Fe最高的品种是B189，含量为457.170 1 μg/mL，并且Pb含量也很低；B163含铜量最高，为20.494 4 μg/mL，B33的籽粒含铜量比较高的同时，镉含量也比较低；B14的锌含量最高，达158.365 9 μg/mL；Se含量最高的品种是B38，含量为0.002 5 μg/mL，B178有较高的硒含量和较低的砷含量。

表7 小麦籽粒中钙、锰、铁含量最高的材料Table 7 The materials with the highest Ca,Mn and Fe concentration in wheat grain μg/mL

表8 小麦籽粒中铜、锌、硒含量最高的材料Table 8 The materials with the highest Cu,Zn and Se concentration in wheat grain μg/mL

多种矿质元素含量都比较高的材料共 24个（表9）。其中B45、B38和B21三个品种的籽粒中4种有益矿质元素的含量都较高；B111、B125、B202、B113、B36、B38、B114、B35 等八个品种籽粒有3种含量都比较高的矿质元素。

表9 小麦籽粒中多种有益矿质元素含量高的材料Table 9 Variety with high mineral content in wheat grains μg/mL

高有益矿质元素低重金属含量的材料共 33个（表10）。其中B70的砷含量比较低，B125中的钙元素和铁元素含量高，铅元素含量低。

表10 高有益矿质元素含量低重金属含量的小麦材料Table 10 Variety with high mineral content and low heavy metal content in wheat grains μg/mL

3 讨论

不同类型的矿质元素在不同小麦材料中的含量差异也十分显著，在所测的九种矿质元素中，铁元素的含量变幅为从 41.778 4 μg/mL到1 267.636 9 μg/mL之间，变幅较大，与前人研究相比，本研究的材料中具有相对较大的遗传多样性。

群体中不同品种之间的矿质元素含量存在比较大的差异，B111品种的钙、铁、锌含量都比较高，B198是铁含量较高的品种。如果利用这两个品种进行杂交，累积优良性状，有可能培育出富含钙、铁、锌元素的小麦新品种，这也说明了通过生物育种提高小麦矿质元素含量的可行性。

前人研究发现施用氮肥能有效提高小麦籽粒中矿质元素的含量[17-19]。本研究表明，同一品种小麦在泰安和德州两个地区种植，所得到的小麦籽粒中的元素也会有差别，说明了小麦籽粒中微量元素的含量受环境条件的影响。不同品种的小麦在同样的栽培环境下，矿质元素含量也会存在差异。张勇等测量了在相同环境下种植的来自 6个省区 240个小麦品种中一部分矿质元素的含量，结果表明，由于遗传背景不同，品种间各矿质元素含量存在着明显的差异[18]。本研究中，小麦籽粒中各矿质元素的含量在泰安点的三个环境下也有差异，不同矿质元素在不同的小麦品种中含量差异也十分显著。例如，钙元素在4个环境下的含量均值变幅在1 635.239 5 μg/mL到2 057.703 3 μg/mL之间，不同小麦种质资源遗传多样性差异较大。在205份材料中，除了硒元素的矿质元素含量呈正态分布，剩余其他元素含量分布都倾向于高含量。

由此可见，小麦籽粒中微量元素的含量不仅跟其本身基因型有关，与外部环境、养分等也有较密切的关联，因此，在小麦生产中要注意种植地的土壤环境条件并采取科学的管理措施，提供良好的外部环境来使小麦籽粒中有益矿质元素含量的增加。

4 结论

共筛选出单种有益矿质元素含量较高的材料38个，其中钙、铁、锌、硒含量最高的材料分别为B111、B189、B14和B38；多种有益矿质元素含量都比较高的材料有 24个，如 B45、B38和B21三个品种的籽粒中同时含有4种高含量的有益矿质元素；高有益矿质元素低有害矿质元素含量的材料共33个，如B125，Ca、Fe、Cu的含量较高而Pb含量低。这些材料为富含有益矿质元素功能性小麦品种的培育及研发利用奠定了良好的基础。